中国四国経済産業保安監督部
中国経済産業局

石炭火力発電所におけるアンモニア混焼技術
取り組みについて2023年03月03日

資源・エネルギー・環境事業領域
カーボンソリューションSBU 開発部 主任
村山 健太
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

目次

１．カーボンニュートラルに向けたビジョン

２．脱CO2に向けたIHIのアクション
３．燃料アンモニア社会実装へのアクション
４．CN火力発電実現に向けてのアンモニア利用技術の開発～ボイラでのアンモニア燃焼技術～

５．まとめ

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

１．カーボンニュートラルに向けたビジョン

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

3

1. 国内の動き：グリーン成長戦略

出典：グリーン成長戦略概要
https://www.meti.go.jp/press/2021/06/20210618005/20210618005-4.pdf
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

4

1. 国内の動き：グリーン成長戦略

出典：グリーン成長戦略概要
https://www.meti.go.jp/press/2021/06/20210618005/20210618005-4.pdf
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

5

1. 国内の動き：第6次エネルギー基本計画

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

出典：第六次エネルギー基本計画概要
https://www.meti.go.jp/press/2021/10/20211022005/20211022005-2.pdf

6

1. 国内の動き：グリーンエネルギー戦略

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

出典：クリーンエネルギー戦略中間整理
https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/sangyo_gijutsu/green_transformation/pdf/008_01_00.pdf

7

２．脱CO2に向けたIHIのアクション

Copyright © 2020 IHI Corporation All Rights Reserved.

8

２. IHIの動き：プロジェクトChange

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

出展：2021年5月13日

2020年度決算説明会

9
経営概況「プロジェクトChange」の進捗より

２. カーボンニュートラルを実現するIHIのソリューション
２．バイオマス・カーボンリサイクル➢ バイオマスバリューチェーン
・バイオマス供給：パーム廃棄物燃料化事業，藻類・バイオマス利用：ボイラ混焼，ガス化➢ カーボンリサイクル，CCUS，BECCUS，DACUS
・CO2化学吸収，酸素燃焼・メタネーション，オレフィン合成
水電解水素製造
バイオマスガス化

酸素燃焼技術
化学吸収技術ガス化炉へ熱を供給

熱媒循環

水電解
化学吸収

CO2回収技術

ガス化

CCU技術 水素製造技術

Bubbling bed

触媒技術
リアクタ設計褐炭を水蒸気ガス化

未反応褐炭(チャー)を空気燃焼

燃焼炉

ガス化炉

メタン・オレフィン変換技術

１．水素・アンモニア➢ 水素・アンモニア利用（混焼，専焼）
・ボイラ，ガスタービン，固体酸化物型燃料電池，レシプロエンジン等での利用➢ 水素・アンモニア製造及び供給
・水素製造：小型ＳＭＲ，ガス化，メタン熱分解，水電解活用型ＥＭＳ・アンモニア製造：再エネ追従型アンモニア製造

バイオマスガス化技術：TIGAR

CCU技術

３．再生可能エネルギー・Power to X
➢ 地産地消型再生可能エネルギー利用➢ Power to X：電気，熱，水素，炭化水素等への変換・利用による地域需要への対応・課題の解決
そうまIHIグリーンエネルギーセンター：
相馬市光陽2丁目 相馬中核工業団地 (東地区)
広さ： 約 54,000m2

先進型太陽光発電設備
下水汚泥乾燥設備

バイオ燃料製造実用化開発

大容量蓄電池凡 例
構築事業

福島復興実用化開発()

災害時の燃料電池発電(BCP)

地域エネルギーマネジメント
管理棟

相馬市下水処理場

水素研究施設(2020年度完成)

水素研究施設下水処理場へ電力供給

太陽光電力送配電設備(6.6kV自営線)

水素製造研究設備(水電解装置、水素燃料電池電力

石炭・アンモニア混焼火炎
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

2MW級アンモニア混焼ガスタービン

災害対応事業
復興交流支援センターへ専用回線で非常時に電気供給)

特定送配電事業(小売供給含)そうまＩＨＩグリーンエネルギーセンター

10

３．燃料アンモニア社会実装へのアクション

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

11

３. 水素キャリアとしてのアンモニアの利点⚫ 燃料としての直接利用が可能 (脱水素が不要) であり，利用時にCO2を発生しない。
⚫ 体積水素密度が他の水素キャリアに比べて最大であり，輸送，インフラ整備をより小規模に形成できる。（約11％：液体水素の約1.5倍）⚫ 液化が容易（-33℃@1気圧/20℃＠8.46気圧）⚫ 肥料および化学品原料用途等でのマーケットが現存し，製造・輸送等のインフラが整備済み。
コスト構造も明確。（アンモニア燃料市場は未開拓）

出典；SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）エネルギーキャリアの取組み
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

12

３. アンモニア導入ロードマップ
2025

2020

供給天然ガス＋CCS/EOR
再生可能エネルギーFS, サプライチェーン構築
デモ実証用エンジニアリング（~1,000MW)

工業炉
SOFC

利用

小型ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ（~0.3MW)

中型ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ（2MW～)

大型ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ（100MW～)

ブルーアンモニアの供給

50～100万トン

大規模実証および基本設計・詳細設計

FS

グリーンアンモニ
アの供給

小規模実証事業の実施
大規模供給に向けたサプライチェーン構築
サウジアラビアデモ

石炭火力混焼2030

300～500万トン

社会実装

社会実装

開発 および 製品化
社会実装

製品化

開発 および 製品化

開発 および 製品化

社会実装

社会実装

出典：クリーン燃料アンモニア協会
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

13

３. IHIのアンモニア・バリューチェーン構築に向けた取り組み
IHIグループは社会課題の一つであるカーボンニュートラルに取組むお客さまに対して，安価なグリーンアンモニアと，高度なアンモニア利用技術を提供することで，アンモニアバリューチェーンの早期構築を図っていきます。
このため，以下の活動を中心に幅広い活動を進めています。
⚫ グリーンアンモニア価格低減につながる水素製造/アンモニア合成技術開発（A）⚫ アンモニア燃料・原料利用技術の開発（B）⚫ 大規模アンモニア貯蔵設備開発（C）⚫ アンモニア供給網の整備・拡大（D）⚫ 適用規格・基準の整備（E）
Blue

電力利用

需要・供給バランスの最適化
天然ガス

ボイラー

CCS/EOR
NH3
アンモニア出荷
合成
ターミナル

再エネ

(A) 水素製造およびNH3合成技術開発

水電解

NH3

NH3

海上輸送

受入
ターミナル

- 大容量タンク開発- 工程短縮船舶

産業利用(D) アンモニア供給網の整備・拡大(E) アンモニア利用時の適用規格・基準の整備

Copyright © 2023 IHI Corporation All Rights Reserved.

船舶利用

原料利用

Green

(C) 大規模アンモニア貯蔵設備開発

ＧＴ

肥料(B) アンモニア燃料・原料利用技術開発- 石炭火力へのアンモニア混焼・専焼- アンモニア専焼GT開発- アンモニア舶用エンジン開発- 産業機器へのアンモニア適用技術開発

14

４．CN火力発電実現に向けてのアンモニア利用技術の開発

ボイラでのアンモニア燃焼技術

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

15

４. アンモニア燃焼の課題

アンモニアは燃えるが…
➢ 燃焼速度が遅い➢ 火炎温度が低い➢ 燃料中窒素分によるNOx (Fuel-NOx）が発生する恐れ。

研究目標➢ 安定燃焼の確保➢ 低ＮＯｘ燃焼手法の確立➢ 未燃分の抑制➢ 安定供給など制御方法の確立
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

火炎が都市ガスよりも長くなる

都市ガスのみ都市ガス＋アンモニア火炎の比較（ガスタービン燃焼器）
16

４. アンモニアの基本特性
アンモニア

水素

メタン

プロパン

沸点（大気圧）

−33.4

−253

−161

−42.1

低位発熱量(MJ/kg)

18.6

120

50.0

46.4

可燃範囲（当量比）

0.6 ∼ 1.4

0.1 ∼ 7.1

0.5 ∼ 1.7

0.5 ∼ 2.5

断熱火炎温度（℃）

1800

2110

1950

2000

最大燃焼速度（m/s)

0.07

2.91

0.370.43

特性アンモニア燃焼の主要課題
反応伝熱材料安全

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

特徴課題

燃焼速度が小さい・火炎安定性・未燃分抑制Fuel-NOxの生成・NOx抑制

火炎温度低下・火炎安定性輻射伝熱の低下・収熱の確保

腐食・材料選定

毒性・安全対策・大気中への放出抑制

可燃性・漏洩対策17

４. アンモニア利用発電技術
石炭火力

ガスタービン

SOFC

Insulator
FC stack※CFT(10MWth 大容量燃焼試験設備)

FY2014-2018

FY2019-2020

FY2021～
GI基金事業※2MW級ガスタービン(IM270)※1kWシステム➢ 混焼技術・システム化技術の研究開発：未反応NH3，NOｘ，N2Oの低減➢ 原理実証：燃焼器・バーナのみの改造による安定運転，低NOｘ化達成➢ 商用化に向けたFS➢ 技術の改良：混焼率向上，設備簡略化
微粉炭バーナ：60%混焼，GT：50%以上混焼➢ 実証のためのFS
委託業務【JPNP16002】

ターゲット：・1,000MW級商用ボイラを用いた実証・収熱，排ガス特性の確認
・混焼率向上Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

Heatexchanger

ターゲット :・100%専焼化
・低炭素分散型電源用コジェ
ネとしての実証・商用化（＋再エネ＋ESS+EMS）

ターゲット：
・10kW以上を目指した大型化
・船舶用補助電源，分散型電源用としての用途探索

18４. アンモニア混焼によるCO2削減効果（石炭火力）➢ 石炭火力からのCO2排出量は，国内全CO2排出量の約23%を占める。
➢ 石炭火力にアンモニア混焼を適用すると，直接的※にCO2削減が可能。
➢ ＵＳＣ（超々臨界圧ボイラ）に20%アンモニア混焼を適用すると，USC:795g-CO2/kWh ⇒ アンモニア20%混焼USC:636g-CO2/kWh※直接的＝アンモニア投入量に比例してCO2排出量が低下。なお，アンモニアはカーボンフリーである必要があるが（製造時にCO2を排出しない） ，製造時に全くCO2を回収しないアンモニアであっても，20%混焼することで総CO2排出量は3%低下する。 （産総研LCA研究グループによる試算結果）

世界における火力発電のCO2排出量の比較
日本全体に占める火力発電のCO2排出量(2015年度実績値）

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

アンモニア混焼により直接的なCO2削減が可能
USCに20%混焼適用すると・・・ 795×80%=636g-CO2/kWh
図の出典：資源エネルギー庁ホームページ
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/sekainosekitankaryoku.html

19

４. 新燃焼システム開発のプロセス
・数値解析を用いたアンモニア混焼技術の検討/大容量燃焼試験の両輪にて実施
・研究開発ステップは，以下のようになる（過去開発およびSIP／NEDO委託事業ともに同じ）

アンモニア混焼バーナ
大容量燃焼試験設備（10MWth）

実機実証

火炉数値解析

BOPへの影響検討(机上検討）
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

20

４. 数値解析を用いたボイラ／アンモニア混焼技術の検討
・数値解析を用いてNO抑制方法を検討した。
還元雰囲気が強く且つガス温度の高い雰囲気にNH3を投入することがNO抑制に効果的であることを確認した。燃焼試験の仕様に反映した。
大容量燃焼試験
温度場の予測火炎構造の検討（ガス温度、滞留時間）

化学反応モデル（CHEMKIN）を用いた
NO抑制効果の検討

ガス温度(K)1800300＋
化学反応モデル（CHEMKIN）によるNH3投入位置の検討

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

21

４. 燃焼試験／アンモニア供給設備■ アンモニア供給設備（新設）■ 燃焼試験設備紹介

大容量アンモニア供給設備仕様
タンク容量20 ton

気化器能力

1.2 t/h×2台（蒸気式）

供給圧力

0.3～0.5MPa

23.5m

大容量アンモニア供給設備（2022年9月竣工）
小型燃焼試験設備（基礎炉）

大型燃焼試験設備（CCTF単一炉）

投入熱量

1.2 MWth

投入熱量

12 MWth

燃料量240 kg/h （アンモニア換算）

燃料量2,400 kg/h （アンモニア換算）

寸法Φ1.3m×L7.5m

寸法

Φ3.6m×L12m

アンモニアバーナ概念図

小型燃焼試験設備（基礎炉）

大型燃焼試験設備（CCTF単一炉）※CCTF :Coal Combustion Test Facility

気化熱源用ボイラ

タンクおよび気化器

計測項目
・排ガス組成 （CO、CO2、NOx、N2O）
・灰中未燃分・熱流束・火炎観察
大容量燃焼試験装置

アンモニア投入方法

・その他

22

４. アンモニア20％混焼定格負荷運転試験の結果
火炎形状

石炭専焼時と同等のA/R（エアレジスタ：燃焼空気の旋回力調整機能）開度の場合，・着火位置がやや離れる傾向を示す。
・A/R開度を調製することで石炭専焼と同程度の着火位置とすることが可能

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

23

４. アンモニア20%混焼定格負荷運転試験の結果

空気比（20% アンモニア混焼）
空気比：1.10～1.20[-]

二段燃焼率

[ppm]
6 %換算）
NOx（O2 NOx(o2 6%)[ppm]

Unburned carbon
灰中未燃分 [%][%]

▲20% ammonia cofiring◆100%coal◆：石炭専焼アンモニア混焼火炎の様子▲：NH
3混焼（混焼率20 %）carbonUnburned[%]
灰中未燃分
[%]

(o2 6%)[ppm][ppm]
6 %換算）
NOx（O2NOx➢ アンモニア混焼時も安定した火炎を達成。
➢ NOx濃度，灰中未燃分は100%石炭専焼時とほぼ同等。
➢ 排ガス中の未反応NH3, N2O濃度は検出限界以下。

[-]

NOｘと灰中未燃分への影響
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

24

４．アンモニア20％混焼部分負荷運転試験の結果
アンモニア混焼時と石炭専焼時の火炎比較

部分負荷試験段階では，定格アンモニアノズル流速を見直したノズルを使用した。

アンモニア混焼時も安定した着火と燃焼維持を達成し，火炎形状については以下の特徴を得た。
・比較的速いアンモニア流速→狭くて長い火炎形状
・比較的遅いアンモニア流速→広角な火炎形状

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

火炎に対して貫通力のあるアンモニア流れを形成

委託業務【JPNP16002】

４．アンモニア20％混焼部分負荷運転試験の結果

Normalized NOx emission [-]◆Coal single firing●NH3 co-firing(narrower and longer flame)
×NH3 co-firing (wider flame)

比較的流速の速い
アンモニアが，火炎の再循環領域（還元性雰囲気）を貫くように流れる。

Normalized Unburnt combustible [-]NOx／灰中未燃分とアンモニア流速の関係◆Coal single firing●NH3 co-firing(narrower and longer flame)

比較的流速の速い
アンモニアが，火炎の再循環領域（還元性雰囲気）を貫くように流れる。

Normalized ammonia velocity [-]Normalized ammonia velocity [-]NOx emission vs ammonia velocity

Unburnt combustible vs ammonia velocity

この結果から以下状態を想定,・アンモニアの熱分解（2NH3→N2+3H2）による燃焼の維持
・中間生成物である還元性物質（NHi etc)によるNOx低減
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

委託業務【JPNP16002】

この結果は以下メカニズムによるものと想定,・アンモニアが火炎の内部循環流を貫通するため、その外部から供給される燃焼空気は、微粉炭の燃焼にのみ消費される・アンモニアの燃焼は熱分解を経て行なわれる

４. 実証試験向けてのアンモニア20％混焼バーナ開発
実証試験に向けたアンモニアバーナバーナの設計
数値解析および燃焼試験による検証により，NOxと灰中未燃分を抑制した状態で部分負荷から定格負荷全域にわたって運転できるバーナの設計条件を見出した。
今後この設計思想を実証試験用バーナに適用し，アンモニア混焼実証試験により燃焼特性およびボイラの収熱特性などプラントとしてのアンモニア混焼技術の確立を目指す。

アンモニア混焼バーナ（実機実証試験用準備段階）

アンモニア混焼バーナ
大容量燃焼試験設備（10MWth）

実機実証

火炉数値解析
BOPへの影響検討(机上検討）
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

27

４. アンモニア専焼試験結果
アンモニア専焼バーナ／ボイラの開発（社内研究）
IHIプレスリリース

小型燃焼試験設備（基礎炉）

試験バーナ概略図（基礎炉）

Burner port

火炎は不輝炎であり目視できない。
（火炎検出は可能）
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

アンモニア専焼火炎（基礎炉）

28

４. 今後の石炭火力におけるアンモニア利用技術開発の取り組み
全体目標
CO2フリーに向けて，①アンモニア混焼設備の社会実装を進める（混焼率20%）：実施中②アンモニア混焼率を高める（混焼率50%以上）：実施中・高混焼率ﾊﾞｰﾅ／専焼ﾊﾞｰﾅの開発
・最適燃焼方式の検討

蒸気タービン・環境設備影響評価
・運用方法検討

ボイラBoiler

・ボイラ性能評価
・補機類影響評価
・運用方法検討

排煙脱硝装置排煙脱硫装置EP・アンモニアガス供給系統
容量，運用方法検討
アンモニアタンカー

タンク

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

灰処理設備

気化器
揚運炭設備

石炭タンカー29

４. 今後のアンモニア利用技術開発の取り組み
具体目標
100万kW級商用石炭火力において、アンモニア20%混焼の実証運転を行ない，ボイラの収熱特性や排ガス等の環境負荷特性を評価し、アンモニア混焼技術を確立する
期間2021年度～2024年度（実証試験を2023年度から実施予定）

2023年度開始（当初から1年前倒し）

実証試験対象プラント㈱JERA殿 碧南火力発電所4号機（併せて碧南火力5号機でのバーナ材質確認試験も実施）
燃焼ガス→煙突へ

バーナ(全48本を改造)

ボイラ燃焼ガス㈱JERA殿ホームページより抜粋

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

アンモニア混焼バーナ概略図

助成業務【JPNP16002】（既存バーナを一部改造することで対応）

30

４. 今後のアンモニア利用技術開発の取り組み：高混焼率化
NEDOリリース 2022.1.7
グリーンイノベーション基金
事業「燃料アンモニアのサプライチェーン構築」に着手（別紙2）事業概要資料から抜粋

実施体制① 株式会社IHI② 株式会社IHI、株式会社JERA③ 株式会社JERA、株式会社IHI

事業期間①、②2021年度～2024年度(４年間)③2025年度～2028年度(4年間)①高混焼率バーナの開発＜バーナ開発のプロセス＞
以下両輪にて効率的に開発を進めていく。
・数値解析を用いたアンモニア混焼技術の検討
・大容量燃焼試験

助成業務【JPNP21020】
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

②実機運用に基づくFS③実機での実証試験

CFT(10MWth 大容量燃焼試験設備)

数値解析結果3131

Confidential

４. 海外におけるアンモニア燃料利用の動き✓ アンモニア混焼技術については世界的に注目を浴びており多くの問い合わせを受領。
✓ ASEAN，インドを中心としてFS等を実施している。

エネルギートランジションのための先進技術
20%混焼やさらなる高混焼を想定したFSをアダニグループと実施

Gresik発電所

クリーンアンモニア製造~利用までの一連のFSをPETRONAS，TNBと実施。
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

アンモニア，バイオマスの利活用に向けてPJBと共同検討に係るMOUを締結
2022年10月にGresik発電所において，ASEAN初となるアンモニア混焼実証に成功した
32

Confidential

４. アンモニア混焼の商用化に向けたIHIの目標

小型燃焼試験

大型燃焼試験

実機実証

商用化

数値解析（シミュレーション）
今年度

アンモニア混焼率100%

小型燃焼試験

[ NEDO委託事業]

50%以上

小型燃焼試験

大型燃焼試験

[ GI基金 ]小型燃焼試験

実機実証試験
(未定 )[ GI基金 ]大型燃焼試
験[ GI基金 ]実機実証設備改造
碧南4号機または5号機

実機
実証試験

商用化
（目標）

FS

20%

[ SIP事業][ NEDO委託事業]

大型燃焼試験

大型燃焼試験

[ NEDO助成事業]
実機実証設備改造
碧南4号機

実機実証試験

商用化（目標）FS2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028
* GI 基金: グリーンイノベーション基金（経済産業省による補助金事業）

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

33

５．まとめCopyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

34

５. まとめ➢ アンモニアは，水素エネルギーの長距離輸送・長期間の貯蔵などの場面において，その利点が発揮される。
➢ アンモニアは直接利用できるのが大きな利点だが，燃焼性の改善・Fuel-NOxの抑制が必要。
現状では以下のような取り組みを実行中である。
・石炭火力ボイラにおける20%混焼技術を確立，100万kW級発電所における実証試験

成功に向け準備・検討している
・海外においてもアンモニア混焼実証等に取り組み，アンモニアバリューチェーンの裾野を拡げるべく活動している・長期耐久性等を試験確認し、製品化を目指す➢ アンモニアは，従来の化石燃料に比較すればまだまだ高価。サプライチェーンの大規模化や，国からの支援など，社会実装にはコスト低減やインセンティブ付けなどの施策が必要。

謝辞：本日の発表は，内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（国立研究開発法人科学技術振興機構（ＪＳＴ）運営），国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務および助成事業，一般財団法人海外産業人材育成協会（AOTS）の成果を利用しています。
Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

35

５. IHIの目指すカーボンフリーエネルギーサプライチェーン

Copyright © 2022 IHI Corporation All Rights Reserved.

36

ご清聴ありがとうございました